作者：COLIN DOYLE，STEPHEN DENMAN

軍事系統和產品中的組件過時是一個眾所周知的挑戰，但它已經發展出一個相對較新的轉折點：嵌入式軟件數量的快速增長。雖然軟件在某種程度上已經嵌入軍事電子元件中數十年，但在過去十年中，這一趨勢已經加速到白熱化的程度;我們的系統和產品中越來越多的關鍵功能依賴于軟件。在大多數其他復雜的軍事系統和產品中都可以找到類似形狀的曲線，包括所有其他飛機、海軍艦艇、地面車輛、C4ISR 系統和場外支持系統。

事實上，航空航天和國防工業的許多人會聲稱，軟件早已取代硬件成為創新的主要來源。軟件與硬件一樣，不能免受需要升級或更換這些組件的問題的影響。但是，與硬件不同，這些問題往往具有不同的性質，因此需要不同的處理。

硬件就像人 – 軟件就像酒

硬件和軟件組件之間最大的區別之一是硬件往往會隨著時間的推移和使用而降級，而軟件保持不變。給定相同的輸入，軟件每次都會生成相同的結果。另一方面，硬件在達到或超過其使用壽命時，由于磨損、腐蝕和/或疲勞開裂，最終會發生故障或停止按規格運行。

這并不是說軟件不包含缺陷;只是這些缺陷在軟件生產時就潛伏在軟件中，而不是隨著時間的推移而通過使用而引入。軟件不是在與硬件相同的意義上“制造”的。一旦開發出軟件組件，就可以以基本上零成本和自動復制過程引入的零缺陷進行復制。軟件組件的可靠性往往表現出“浴缸”形狀，其中最初的使用揭示了許多這些潛在缺陷，然后通過軟件更新來解決這些缺陷，然后是相對較長的低缺陷率，然后隨著操作環境的變化，作為軟件組件基礎的原始設計假設和約束失效，問題增加。像葡萄酒一樣，軟件組件往往會隨著時間的推移而改進，因為更多的潛在缺陷被發現和解決。

鑒于軟件沒有與硬件制造相關的容差問題，軟件也不會因使用而磨損，傳統的硬件報廢措施（如平均故障間隔時間 （MTBF））與軟件沒有太大相關性。因此，如果軟件隨著年齡的增長而變得更好，它如何加劇軍事組件過時的挑戰？要回答這個問題，我們需要了解是什么會導致軟件過時。

軟件過時的根本原因

軟件組件過時的主要原因有三個：

軟件必須運行的環境更改（兼容性）

潛在缺陷的暴露

軟件必須執行的角色和功能的更改

軟件只是一系列編碼指令，用于控制其執行的硬件平臺的行為。軟件組件依賴于底層電子組件來提供正確的接口并按指定運行。因此，軟件過時的一個主要因素是由于電子元件過時而導致底層硬件平臺的變化。電子元件過時是一個眾所周知的問題，因為基礎技術變化迅速，而且與商業應用相比，軍事采購量相對較低。每當軟件與之交互或運行時的底層電子元件發生變化時，還必須重新評估軟件，并可能升級或更換軟件。

一個典型的例子是 5 年的阿麗亞娜 501 航班 1996，它在發射 40 秒后以火箭被摧毀而告終。故障的根本原因是重復使用阿麗亞娜4號的慣性參考系統，而沒有在阿麗亞娜5號設計的背景下對該子系統背后的約束和假設進行適當的評估。慣性參考系統被重復使用，因為它被認為是經過驗證和驗證的設計。然而，該系統是為火箭設計的，其發射剖面的功率更小，水平加速度明顯低于阿麗亞娜5。將浮點值轉換為 16 位整數觸發溢出錯誤，導致飛行控制系統崩潰。

顯然，當在軟件組件中發現缺陷時，必須解決它們。根據軟件組件及其相關硬件環境的性質，在現場執行此類更新可能與通過網絡連接下載更新一樣簡單，或者與更換整個電子組件一樣昂貴。軟件組件的較大成本是分析缺陷、更新設計和實現以及在發布組件之前重新驗證組件所需的開發工作。此成本通常較大，因為更新的機會通常會導致第三個原因：軟件組件的角色和功能更改。

如前所述，軟件越來越成為產品創新的源泉。它是一種關鍵的系統集成技術，許多系統的壽命通過軟件升級得到延長。在當前的軍事采購環境中，“及時”的備件采購方法變得越來越普遍，任何軟件更新機會通常都涉及增強功能，以延長系統的使用壽命或擴展功能，以及解決缺陷。隨著硬件平臺變得越來越強大，系統工程師將越來越多的功能分配給軟件，以減輕重量、降低成本并提高靈活性。正是這些特性導致了軍事系統中軟件的數量和復雜性的急劇增長。

軟件工程：不僅僅是即插即用

對于電子和軟件以外的組件，處理過時主要是為組件尋找替代制造來源的問題。如前所述，對于軟件，制造不是問題;組件過時需要重新設計軟件，無論是解決缺陷還是擴展和增強其功能。

如前所述，導致軟件過時的因素之一是軟件必須運行的環境的變化——包括平臺和與之交互的信號，以及軟件啟用的系統的目標和角色。在重新設計軟件組件時，需要考慮這種情況，而且往往沒有得到適當的解決。

軟件復雜性的快速增長、在系統工程環境中更新軟件組件的需求以及軟件的無形性質都帶來了更新和維護軟件組件的挑戰。支持開發更復雜軟件的相同高級語言抽象也增加了隔離缺陷和確定提議更改的影響的挑戰。

傳統上，用于軟件組件維護的技術數據包側重于源代碼，將其作為與最終軟件組件最密切相關的工件，而不太強調其余的軟件工件，并且工件之間的凝聚力很小。如果需求、設計、實現和驗證工件之間沒有完全的可追溯性，就很容易錯過需要考慮的細微依賴關系。軟件組件源代碼的戰術“修補”可能導致軟件的單一、難以維護。需要對軟件組件采取更具凝聚力、更全面的方法來正確管理其復雜性。這種方法稱為應用程序生命周期管理 （ALM）。ALM 管理定義、設計、實現和驗證軟件組件（以及這些工件和活動之間的關系）所需的所有工件和活動。

征服史詩般的挑戰

雖然嵌入式軟件的增長是一個挑戰，但它也是一個巨大的機會，特別是在當前的軍事采購環境中，需要成本控制和戰略優勢。軟件開發原則、實踐和工具正在成熟并不斷改進。以下建議可以大大有助于應對組件過時帶來的軟件挑戰：

采用系統工程方法進行電子和軟件組件開發，對模塊化組件進行深思熟慮的規劃和架構，以支持跨不同系統的重用，并在組件之間定義明確的接口來管理復雜性。確保在使用這些組件的系統使用壽命內捕獲和管理驅動組件定義的需求和關鍵設計決策。

實施全面的 ALM 方法來開發軟件組件，對所有工件和活動具有完全可追溯性，并具有管理開發各個方面的一致流程。投資工具以自動化和實施 ALM 實踐;尋找提供單一流程引擎來管理所有工件的系統，這些系統與系統工程和硬件工程（如 PLM 系統）有著密切的聯系。管理整個工具鏈，包括構建和發布管理系統，以確保在維護或更新軟件組件時獲得可預測的結果。

使用迭代和增量開發實踐來縮短反饋周期，并提高組件發布的可預測性和質量。在組件更新中涉及所有學科（硬件和軟件），以確保理解并完全解決組件之間的任何依賴關系。實施主動變體管理，以最大限度地重用組件并控制變體來源，例如更改角色或技術。

有了這些建議，軍事系統設計人員可以使用軟件來區分變體而不是硬件，從而可能降低成本，減輕重量和功耗。制造商發現，基于通用硬件平臺設計產品，該平臺能夠支持所有產品線變體功能，同時使用軟件創建單個變體，具有許多優勢。

審核編輯：郭婷